成形工藝分析
接套體是某槍械中的重要部件（如圖1所示），其質量對槍械的整體性能影響非常大。該零件形狀特殊，底座為三面直壁組成，高寬比很大，中間為通孔，孔壁很薄，這些都使得成形難度很高。若采用閉式擠壓工藝，對于成形深筒形的件并不擅長，并且實際生產中還面臨脫模困難的問題。傳統的接套體成形方案采用開式模鍛先鍛造出兩端無孔、底座填實的鍛件，然后通過機加工進行生產。考慮到所用材料為30CrMnMoTiA（803A）（室溫力學性能如表1所示），這種材料的機加工性能差，所以這種工藝步驟復雜，材料的利用率低，大量的機加工破壞金屬流線，很難滿足零件的性能要求。
為了克服傳統工藝的不足，采用多向模鍛工藝。多向模鍛工藝可以鍛出形狀復雜、尺寸精確的中空鍛件，且鍛件最大限度的接近零件的形狀尺寸，顯著提高材料利用率，降低成本。雖然這種工藝成形步驟少，但一道次成形非常復雜，為了滿足成形質量和模具壽命的要求，在實際生產前采用有限元模擬對成形過程進行仿真分析，避免缺陷的產生，設計合理的生產工藝方案。
模擬分析
模型建立和模擬設置
采用UG10.0軟件對接套體零件及成形模具進行三維造型，將UG造型的坯料及模具模型導入到DEFORM-3D中進行成形模擬。根據零件對稱的特點，選擇二分之一的坯料進行模擬，既能保證模擬結果的有效性，又減少了計算量。坯料溫度設置為700℃，模具溫度設置為20℃，摩擦類型為剪應力摩擦，摩擦因子設為0.12，坯料共劃分20000個單元網格，幾何模型裝配圖如圖2所示。
數值模擬結果分析
圖3為接套體成形過程中金屬流動規律圖，從金屬流動來看，可以將成形過程分為兩個階段。圖3a為左腔體成形階段，兩個水平沖頭對向運動并與坯料發生接觸，坯料整體向左移動，坯料開始發生塑性變形。此時金屬在沖頭作用下發生反擠，模腔內金屬流向與沖頭擠壓方向相反，該階段金屬除了沿水平方向流動，還優先流入左側大直徑腔體中，整個過程中的金屬流速最大僅有7.07mm/sec。圖3b為右腔體與下腔體成形階段，左右沖頭共同發生作用，驅使金屬向下流動進入垂直型腔。從圖中看出金屬向下流動的速度很快，是因為左右沖頭共同作用推動金屬向下運動。此時金屬的變形主要發生在中下區域，左右沖頭同時參與反向和徑向兩個擠壓過程。成形后期坯料整體流動速度趨于接近，金屬填充較為飽滿，成形趨于終點。
圖4是接套體零件成形結束時的點接觸示意圖，從點接觸情況可以看出零件底座金屬填充飽滿，從表面成形質量可以看出，除左右兩端面和底座僅有少許飛邊，兩側模膛和表面成形良好。
圖5（a）為左右沖頭隨變形時間的載荷變化曲線圖，結合以上對成形過程中的金屬流動速度的分析，左右沖頭擠壓力在左腔體成形階段保持平衡，當金屬開始往底部腔體中流動時，左右沖頭擠壓力明顯增大，說明這種窄而深的直壁成形難度非常高，并且接套體左右不對稱的特點導致左右沖頭發生偏載。圖5（b）為成形過程中張模力隨時間變化的曲線圖，可以看出充填完全時合模力約為5600kN。
根據以上對速度場和擠壓力的分析，得知當金屬開始向下部腔體流動時，該處的金屬流動速度最快，左右沖頭提供的擠壓力也是明顯增加，此時模具受到的應力最大，故在該模擬步數時對各塊模具進行了應力分析模擬，研究該成形工藝對模具使用壽命的影響情況。各模具應力情況如圖6所示，分別是左右沖頭的應力分布情況。模擬中模具材料為常用的H13鋼，其抗拉強度為1740MPa。從圖中看出左右沖頭的應力最大處分別達到1690MPa和1440MPa，都已經非常接近H13鋼的抗拉強度；從零件特點分析，左右沖頭不僅需要擠壓金屬填充左右部腔體，還需擠壓金屬填充下部腔體，反復的擠壓金屬對于左右沖頭的損耗非常大，而左部腔體的直徑更大，所以左沖頭的應力稍大；從模具結構分析，長圓柱體式的設計導致在復雜的成形過程中，在沖頭根部容易發生斷裂，因此沖頭根部的應力始終是最大的。模具的應力情況關系著模具的使用壽命，對方案進行改進，延長模具的使用壽命。
改進措施
根據以上模擬分析，提出的接套體方案面臨著張模力過大和左右沖頭不平衡的問題，在實際生產時對設備的要求非常高。為了解決左右沖頭偏載問題，把模具結構進行了修改，把一側的沖頭修改為擋板，并將成形溫度提高至1150℃。優化后的沖頭載荷比較如表2所示，沖頭應力及充填完成圖如圖7所示。
試驗驗證
設備及過程
試驗設備為YH39-1000 10000kN模鍛液壓機、成形模具、電阻爐等。
根據在實際試模過程中對坯料溫度的控制，確定接套體開始擠壓溫度為1150℃，終止擠壓溫度為900℃，擠壓溫度范圍為1150～920℃。本次試驗采用電阻爐加熱坯料，加熱規范為1150℃、保溫15分鐘，模具預熱溫度為400℃，沖頭和型腔刷以水基石墨潤滑。加熱完畢后，將30CrNi3A鋼材坯料快速地放入模腔中進行熱擠壓成形，其他條件與模擬設定的條件一致。
試驗結果分析
實際過程中，考慮到設備的使用以及后續脫模問題，對模擬情況進行優化修改，下部型腔先不成形，后續再進行機加工。圖8為鋼制接套體成形過程中不同階段的實物圖，由圖可以看出接套體成形過程中金屬流動規律與上文數值模擬的情況一致，首先變形區集中在沖頭和型腔尾部，待孔成形之后，金屬開始填充下部型腔，最后充填各個端角。從表面質量看，由于表面氧化皮脫落，造成鍛件端角和直邊部位出現缺肉現象。并且，型腔內的氧化皮造成模具清理難度增大，影響模具的使用情況。
針對鍛件端角缺肉現象，在生產過程中采用高頻加熱設備進行加熱，可以顯著減少加熱產生的氧化皮，改善鍛件的成形質量并且延長模具的使用壽命。另外，在頂尖塊上設置分流裝置，并在兩邊進行倒角。分流的裝置能促使金屬向兩邊流動，倒角處形成小的飛邊，保證了鍛件棱角充填的完整性。
結論
通過對模具結構和成形溫度的調整，有效的降低模具承受載荷和延長模具使用壽命，避免了沖頭偏載的問題，滿足實際生產設備的要求，成功鍛造出了符合要求的接套體鍛件，相比舊工藝提高了材料的利用率，帶來了良好的經濟效益。
